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¿Alguna vez fusionaremos la mecánica cuántica con la relatividad general?

¿Alguna vez fusionaremos la mecánica cuántica con la relatividad general?

todo es relatividad

Entonces, ahora entendemos que la mecánica cuántica básicamente ha hecho explotar la forma en que pensamos sobre el universo (cuando se trata de la escala más pequeña). Las partículas pueden ser ondas, por ejemplo. Solo para agregar diversión, el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica nos dice que realmente no podemos decir dónde está una partícula o qué tan rápido se mueve al mismo tiempo.

Einstein no lo hizo. La idea de que realmente no se podía saber dónde estaba una partícula o qué estaba haciendo debe haber sido profundamente preocupante para un físico dedicado a definir cómo funcionaba el universo, lo que hizo Einstein, con la teoría de la relatividad general.

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No tengas miedo ahora. La relatividad general tiene dos ideas principales: una sobre el espacio y el tiempo, y otra sobre la gravedad. Como usted y yo vemos, el espacio y el tiempo están en segundo plano. Son correctos. Existen cronológicamente (y en cierto sentido monolíticamente). En la relatividad general, el espacio y el tiempo son una dimensión unificada (convenientemente llamada espacio-tiempo). Pero aquí está el problema: el espacio-tiempo puede ser grande y unificado, pero no pasa a segundo plano. La teoría general de la relatividad establece que el espacio-tiempo puede verse afectado por la materia. Esto significa que usted, de hecho, existente, está cambiando el espacio y el tiempo.

Vale, no exactamente. En realidad, son cosas muy importantes las que crean distorsión del espacio-tiempo. El sol, por ejemplo, dobla el espacio-tiempo en su dirección. ¿Y qué implicaría eso? Oh, es cierto: los planetas menores orbitarían a su alrededor.

Lo que nos lleva a la gravedad. De hecho, la relatividad general no se limitó a que Einstein le diera una palmada en la espalda a Newton y le dijera: “¡Sí, señor, la gravedad es una cosa!” En cambio, Einstein nos dio una razón para la gravedad: que la curvatura del espacio-tiempo hizo que existiera la gravedad e hizo que el universo actuara de la forma en que lo hizo.

¿Entonces, cuál es el problema? Einstein nos mostró el asombroso funcionamiento del universo y la mecánica cuántica nos muestra el fascinante funcionamiento de las partículas en los niveles atómico y subatómico. Desafortunadamente, uno no explica al otro. Lo que significa que debe haber una teoría más amplia que los abarque … ¿o no?

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¿Tenemos el mundo en la cuerda floja?

Un agujero negro puede ser una de las mejores opciones para comprender cómo se relacionan la mecánica cuántica y la relatividad. En la foto, un gran agujero negro captura gas de una estrella compañera.

Imagen cortesía de NASA E / PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet

No podemos entender cómo se pueden reconciliar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general sin comprender primero cómo no lo hacen actualmente. Porque resulta que ninguno de ellos funciona realmente si el otro es cierto.

Einstein dijo que el espacio-tiempo es una constante suave y solo las cosas grandes pueden deformarlo. La mecánica cuántica afirma que las partes más pequeñas del universo fluctúan y cambian constante y dramáticamente.

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Si la mecánica cuántica fuera correcta y todo estuviera constantemente borroso, la gravedad no funcionaría como predijo Einstein. El espacio-tiempo también debe estar constantemente en conflicto con todo lo que lo rodea y actuar en consecuencia. Además, la mecánica cuántica afirmó que no es posible, con certeza, declarar un orden definido. En cambio, solo tenía que predecir las probabilidades.

Por otro lado, si la relatividad general es correcta, entonces la materia no podría fluctuar tan salvajemente. En algún momento, podrá saber dónde está todo el material y exactamente hacia dónde va. Lo cual, nuevamente, está en desacuerdo con la mecánica cuántica.

Pero tenga la seguridad de que los científicos, físicos y expertos en sillas de ruedas están tratando desesperadamente de encontrar una manera de reconciliar los dos. Un precursor es la teoría de cuerdas, que establece que en lugar de que una partícula actúe como un punto, se comporta como una cuerda. Eso significa que podría sacudirse, moverse y rizarse y, en general, hacer todo tipo de cosas que una puntada no podría. También podría transmitir gravedad a nivel cuántico, y la propagación de partículas en una cuerda teóricamente haría que la atmósfera fuera menos inestable, menos loca. Lo que abre la teoría, por supuesto, a comprometerse con la relatividad general. Pero tenga en cuenta que la teoría de cuerdas nunca ha sido confirmada por ningún experimento, y hay mucho debate sobre si se puede probar por completo.

Si se llevara a cabo un experimento tan monumental, probablemente se llevaría a cabo en un acelerador de partículas. Aquí es donde podemos encontrar súper socios. (No, no Batman y Robin). super socio son parte de la teoría de cuerdas, que establece que cada partícula tiene una partícula asociada supersimétrica que es inestable y gira de manera diferente (por ejemplo, electrón y selectona o gravitón y gravitina). Afortunadamente para nosotros, en 2010 encontramos evidencia de nuestro primer bosón de Higgs cuando las partículas chocaron con el Gran Colisionador de Hadrones, por lo que podemos estar en camino de probar experimentalmente la teoría de cuerdas.

Spin también puede ayudarnos a experimentar entrelazamiento cuántico, donde los electrones quedan atrapados en la rotación del otro. Es fácil de ver en espacios pequeños, pero los científicos trabajan arduamente para enviar fotones al espacio para medir cómo funcionan a una gran distancia (y curvatura) en el espacio y el tiempo.

Pero también podríamos recurrir a los agujeros negros para desarrollar una teoría de todo (¡un TOE!). En un agujero negro, tienes algo muy pesado (una estrella a la que se aplica la relatividad general) y algo muy pequeño (el pequeño punto donde está comprimido, como explica la mecánica cuántica). Entonces, si podemos descubrir qué sucede, o qué cambia, cuando lo grande se vuelve pequeño, podríamos simplemente reconciliar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general.

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Un busto de Max Planck se limpia rápidamente.  Planck es conocido como uno de los fundadores de la teoría cuántica.

Un busto de Max Planck se limpia rápidamente. Planck es conocido como uno de los fundadores de la teoría cuántica.

Michael Gottschalk / AFP / Getty Images

La mayoría de las veces, las preguntas que surgen a lo largo del día son las que todos podemos responder con confianza. ¿Usted ha almorzado? ¿Has escuchado la nueva canción de Taylor Swift? ¿Es un confesionario sobre un chico con el que salió?

Pero cuando comenzamos a pensar en las grandes preguntas, la que enfrentamos hoy es si la mecánica cuántica y la relatividad general pueden reconciliarse, nuestra confianza se desmorona. ¿No tiene la mecánica cuántica algo que ver con los planetas? ¿Es la relatividad general aquella cuya energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado? Espera, ¿fue una misa o un movimiento? O minutos. Son minutos, ¿verdad?

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Audaz. Si bien esta pregunta es extremadamente difícil de responder, la pregunta en sí es tan simple como descifrar las palabras de una estrella del pop. Antes de comenzar a resolver el universo insoluble, veamos sus componentes.

Comencemos hablando de mecánica cuántica. Y este es un buen punto de partida, porque es el estudio de algo extremadamente pequeño: la materia y la radiación a nivel atómico y subatómico. No fue hasta que los científicos comenzaron a comprender los átomos que la física antigua regular necesitaba un pequeño ajuste. Porque cuando los científicos observaron los átomos, no se comportaron como el resto del universo. Por ejemplo, los electrones no orbitan el núcleo como un planeta que orbita el sol: si lo hicieran, estarían envueltos alrededor del núcleo. [source: Stedl].

Estaba claro que la física clásica no lo redujo a la escala atómica. Por lo tanto, la mecánica cuántica nació de la necesidad de comprender cómo los fenómenos muy pequeños actuaban de manera diferente a las grandes cosas en la ciencia. Lo que encontramos es que algo como un fotón podría actuar como una partícula (que transporta masa y energía) y una onda (que transporta solo energía). Esto es importante, pueden ser dos cosas al mismo tiempo. Y eso significa que las partes más pequeñas del universo fluctúan mucho y sin forma de conocer la posición particular en un momento dado.

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